新疆地區(qū)常見地質(zhì)條件下深基坑懸臂支護(hù)設(shè)計探討

張海銀

上海市政工程設(shè)計有限公司，上海 200092

基坑工程具有很強的區(qū)域性，屬于系統(tǒng)工程，且涉及巖土工程的三個基本問題：穩(wěn)定、變形及滲流，因此綜合性極強[1]。對于新疆常見工程的水文地質(zhì)，地下水一般埋藏較深，在基坑圍護(hù)設(shè)計中通常不需考慮滲流的影響，基坑圍護(hù)設(shè)計主要考慮穩(wěn)定和變形問題。新疆地區(qū)常見基坑圍護(hù)形式為放坡+土釘墻+樁錨支護(hù)，以及排樁+支撐支護(hù)，但隨著城市地下空間的發(fā)展，地下管線、建（構(gòu)）筑物、場地等更加復(fù)雜，常規(guī)的圍護(hù)形式無法使用或經(jīng)濟(jì)性較差，懸臂支護(hù)技術(shù)無疑是一種解決辦法。懸臂支護(hù)在新疆地區(qū)應(yīng)用較少，通過綜合管廊建設(shè)加以研究有一定意義。

1 工程概況

擬建綜合管廊工程位于烏魯木齊市，總長度約12.0km，采用兩艙（電力艙、綜合艙）矩形斷面、標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)外尺寸為6.1m×4.2m，基坑呈長條形、深度約8.0m。管廊位于現(xiàn)狀道路北側(cè)，南側(cè)為現(xiàn)狀地面道路且臨近現(xiàn)狀地下給水及通信管線（管線無法遷改）。根據(jù)現(xiàn)場條件，管廊北側(cè)條件較好，可采用放坡開挖或土釘墻實施圍護(hù)；南側(cè)臨近地下管線，除無法采用上述支護(hù)形式外，樁錨支護(hù)也難以實施，綜合考慮采用懸臂支護(hù)，支護(hù)斷面如圖1所示。

圖1 綜合管廊基坑懸臂支護(hù)斷面圖（單位：mm）

2 巖土工程條件

2.1 巖土分布特征

擬建項目勘探深度20.0m范圍內(nèi)場地地層主要由素填土、圓礫層、卵石層構(gòu)成。

（1）素填土：主要分布在現(xiàn)狀道路及兩側(cè)的人行道路，層厚1.5～8.2m，灰色、灰黃色，由粉土、圓礫組成，混少量建筑、生活垃圾，呈現(xiàn)松散～稍密，干～稍濕。

（2）圓礫：在擬建場地均有揭露，層厚1.9～7.7m，灰色、淺黃色，一般粒徑為5～10mm，最大粒徑為200mm，磨圓度較好，呈渾圓狀、次圓狀，顆粒級配良好，成分以硬質(zhì)巖碎屑為主，充填物為細(xì)砂、粉砂、粉土，呈現(xiàn)稍密～中密，稍濕。

（3）卵石：在擬建場地均有分布，骨架顆粒交錯排列，連續(xù)接觸，一般粒徑為20～50mm，最大粒徑為300mm，磨圓度一般～較好，呈渾圓狀、次圓狀，顆粒級配良好，成分以硬質(zhì)巖碎屑為主，充填物為細(xì)砂、粉砂、粉土，呈現(xiàn)中密～密實，稍濕。

2.2 巖土參數(shù)指標(biāo)

（1）素填土：重度γ=16kN/m3，承載力特征值fak=100kPa，黏聚力c=5kPa，內(nèi)摩擦角φ=15kPa。

（2）圓礫：重度γ=20kN/m3，承載力特征值fak=350kPa，黏聚力c=2kPa，內(nèi)摩擦角φ=38kPa。

（3）卵石：重度γ=22kN/m3，承載力特征值fak=500kPa，黏聚力c=5kPa，內(nèi)摩擦角φ=45kPa。

3 基坑圍護(hù)設(shè)計

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)場地巖土工程條件及現(xiàn)場邊界條件，進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)選型。現(xiàn)場條件可以概況為管廊北側(cè)條件較好，具備放坡開挖條件；南側(cè)臨近現(xiàn)狀地下管線且無法遷改。鑒于此，可采用不同的支護(hù)形式：一是排樁+支撐支護(hù)，該圍護(hù)形式的優(yōu)點在于穩(wěn)定性和變形都能得到更好的控制，但是造價相對更高；二是北側(cè)放坡+南側(cè)懸臂支護(hù)，經(jīng)過造價對比，該圍護(hù)形式相比更加經(jīng)濟(jì)，施工速度更快。

懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)的特點是基坑外土體的主動土壓力全部依靠支擋構(gòu)件入土深度范圍內(nèi)抗內(nèi)外土體的被動土壓力來平衡[2]，坑底以上支擋結(jié)構(gòu)完全處于懸臂狀態(tài)。隨著基坑深度開挖的逐漸加大，支擋結(jié)構(gòu)的位移與開挖深度呈三次方增加，相同條件下，與設(shè)有支錨的支擋體系相比，懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)的頂部位移及構(gòu)件內(nèi)力均較大，因此通常情況下，懸臂支護(hù)的選用受基坑深度等因素的限制。對于類似該工程的新疆常見地質(zhì)情況，結(jié)合當(dāng)?shù)刎S富的工程經(jīng)驗，該項目基坑南側(cè)綜合考慮采用單排懸臂樁支護(hù)?；由疃燃s為8.0m，懸臂樁布置采用樁徑為1.0m、間距為1.5m、插入深度為6.5m。

3.2 穩(wěn)定性驗算

（1）整體穩(wěn)定性驗算。圓弧半徑R=13.521m，圓心坐標(biāo)X=-1.467m，圓心坐標(biāo)Y=6.794m。整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=3.712＞1.30，滿足要求。

（2）抗傾覆穩(wěn)定性驗算。抗傾覆（對支護(hù)底取矩）穩(wěn)定性驗算公式如下：

式中：Mp為被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩；Ma為主動土壓力對樁底的傾覆彎矩。

計算得到Koν=2.531＞1.200，滿足要求。

（3）抗隆起穩(wěn)定性驗算。從支護(hù)底部開始，逐層驗算抗隆起穩(wěn)定性，經(jīng)計算得到抗隆起穩(wěn)定系數(shù)Ks=64.787≥1.600，滿足要求。從穩(wěn)定性計算結(jié)果來看，各項穩(wěn)定系數(shù)偏安全。

3.3 結(jié)構(gòu)及變形驗算

在一定范圍內(nèi)，冠梁側(cè)向剛度對支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移及沉降限制作用影響效果顯著[3]。在理正深基坑7.0軟件中考慮支護(hù)樁頂冠梁側(cè)向剛度K，將冠梁視為兩端鉸接于基坑兩側(cè)拐角的簡支梁，其計算公式如下：

式中：L為冠梁長度；a為支護(hù)樁位置；EI為冠梁截面剛度。

在計算冠梁側(cè)向剛度K時，一般偏安全地取管廊長度的一半即L/2，此時，可知其剛度與冠梁長度的三次方成反比。在確定冠梁長度前需要確定冠梁是否對支護(hù)結(jié)構(gòu)起作用，這要判斷冠梁兩端是否存在有效約束，保證冠梁兩端不向坑內(nèi)發(fā)生位移。對于該工程綜合管廊基坑而言，屬于長條形基坑，可以認(rèn)為冠梁長度與基坑長度一致，且兩端無有效約束，故不考慮冠梁剛度影響。

為了控制周邊建（構(gòu)）筑物的沉降或變形，按照《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50497—2019）的規(guī)定，基坑2.0m以外地面沉降（給水管道處）需控制小于30mm，圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移控制按照相關(guān)規(guī)范要求執(zhí)行?；由疃确秶鷥?nèi)的土壓力分布及位移、彎矩、剪力包絡(luò)圖如圖2所示。

圖2 基坑深度范圍內(nèi)的土壓力分布及位移、彎矩、剪力包絡(luò)圖

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化

為了確?；邮┕て陂g的安全，技術(shù)人員對基坑開挖全過程進(jìn)行了動態(tài)監(jiān)測，并對大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理統(tǒng)計，如表1所示。由表1可知，現(xiàn)場各項變形、沉降值均滿足規(guī)范要求，施工期間的基坑穩(wěn)定和變形得到了良好的控制，確保了工程的安全。

表1 懸臂支護(hù)試驗段監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

5 結(jié)論

（1）新疆地區(qū)常見地層為卵石層、圓礫層，且地下水埋藏較深，在該地層條件下進(jìn)行懸臂支護(hù)設(shè)計，主要考慮穩(wěn)定性和變形問題。

（2）在進(jìn)行類似綜合管廊基坑等長條形基坑的懸臂支護(hù)設(shè)計時，不應(yīng)考慮樁頂冠梁側(cè)向剛度的有利影響，計算時按照無冠梁設(shè)計。

（3）根據(jù)基坑施工過程中的動態(tài)變形及沉降觀測成果，懸臂樁可以應(yīng)用在類似地層的基坑項目中，穩(wěn)定性和變形都得到了很好的控制，支護(hù)工程安全可靠，可為后續(xù)類似工程提供參考。